成果報告書詳細
管理番号100013704
タイトル平成20年度成果報告書 研究者派遣型国際共同研究調査事業 平成20年度国際共同研究先導調査事業/メンテナンスフリーセンシングシステム構成技術に関する研究調査
公開日2009/4/24
報告書年度2008 - 2008
委託先名国立大学法人東京大学
プロジェクト番号P00044
部署名研究開発推進部
和文要約日本の携帯電話基地局においてデータ送受信のために年間消費される電力量はおよそ5TWhにのぼると推定され,これは約125万世帯の年間消費電力量に相当する.しかしながら日常飛び交う放送通信用電波の中には,実際には使われず最終的に熱として拡散してしまうだけの電波が少なからず存在する.本研究ではこうした未使用電波を回収,電力として再生し,センサネットワークノードなど消費電力の低い電気機器を駆動することを最終的な目的とする.本研究では,都内各所において,テレビ放送電波および通信用の電波に関して詳細な電界強度の計測実験を行った.人の生活範囲においてセンサノードを展開するような応用を想定し,19日間同時刻に同一地点での測定を繰り返した.測定には電界強度を絶対値で測定可能なNardaSRM-3000を用いた.その結果得られた知見としては,携帯電話の電波はどの箇所でも一定の強度で存在しているが,日ごとの値のばらつきが大きく,持続率も小さいことがわかった.それに比べて,FMラジオ帯及びアナログTV帯の電波は,日ごとの値のばらつきが小さく持続率も携帯電話の電波より大きいことがわかった.さらに放送用の電波として東京タワー周辺のいくつかの地点において15分間の定点測定を行った.持続率が最大5%程度だった携帯電話と対照的に,放送波が常時放射されていることが分かる.電界強度は,理論的にはアンテナからの距離に反比例する.FMラジオ帯では,東京タワーからの距離が離れるほど理論通り電界強度は小さくなっているが,他の帯域では必ずしもそうではない.周波数の低い電波は回折しやすく建物の影響を受けにくいことや,そもそもTVアンテナがラジオアンテナよりかなり高い位置にあるため東京タワーの足元では却って電波が届きにくいことなどが原因と考えられる.見通しが良く適切な距離の地点においては,安定的に1V/m以上の電波が持続している.これは先の測定調査と比較すると重要な特徴である.特に東京タワー周辺では2.5V/m近い強度の電波が15分間の測定中常に継続しており,未使用電波からの電力再生技術実現の足がかりとして期待できる.受電レクテナのゲインを5[dBi]としてFMラジオ電波(80MHz)からの受信最大有効電力を計算すると1.73Wとなる.実際には受信電圧を昇圧する際の損失などで獲得電力が減少する可能性はある.エネルギーハーベスティングの可能性を探るため,デジタルテレビを視聴するための市販の平板アンテナに自作の整流回路を取り付け,実際にエネルギーの回収実験を行った.その結果東京タワー周辺では,平均860μW,最大1.3mWの電力を回収することができた.整流回路の出力端には2V程度の電圧が得られ1.5V電池で動作する市販のデジタル温湿度時計を改造なく常時動作することにも成功した.
英文要約A report indicate that the total energy consumed at Japanese domestic mobile phone base station amounts to 5 TWh, which is almost equivalent to the amount of energy consumed at 1,250,000 houses. We are trying to harvest electric energy from the RF signals that have been radiated by communication and broadcasting systems. Using carefully designed rectenna, we have a high expectation of obtaining a certain amount of DC electricity out of very weak microwave energy. As a feasibility study, we have been measuring electrical field strength of several frequency bands under daily living environment. We do this measurement to know how much power we can get from RF in the real environment. In this paper, we report spatial and temporal dependency of the field strength. We have measured electrical field strength of the same place at the same time of day for 19 days and 16 places at the center of Tokyo. The place and route was selected based on the typical lifestyle of the people in Tokyo. For example, we executed measurements at major stations and trains including subways, small and large streets, and an office environment. The equipment we used in the measurement is Narda Safety Test Solutions SRM-3000. It allows to measure the individual contributions of multiple emitters and to generate a tabular or spectrum view of the total exposure over the 75 MHz to 3 GHz frequency range. In each day, we calculated daily average (Ave), standard deviation (Dev), Duration (Dur: the percentage of the time when signal above 1.0 V/m is observed) of all the frequency from 75Mhz to 3GHz. What is observed from the measurement result is that radiowave in mobile phone band is frequently observed at anywhere but very spiky and vary widely. This is because the strength of microwave radiated from mobile phones and a base station depends on the amount of the mobile phone traffic around the measurement place. On the other hand, strength of FM radio and TV frequency band shows more stability (lower variance and higher duration). We then introduce measurement results around Tokyo Tower as a follow-up experiment. Each measurement was executed for 15 minutes at different places where distance from the tower is from 100m to 1500m. Observed field strength was also more than 1.0 V/m at many points where each distance from the tower is close enough. Different from mobile phone signal, broadcasting signal is more suitable energy source in this point of view. Then field strength was strong enough (2V/m) at the place where it is not far from the tower. Using a directional antenna with 5 dBi gain, we will be able to harvest 1.73W near the Tokyo Tower. This estimation doesn稚 consider various losses resulted from antenna and rectifier. In order to investigate the feasibility of energy harvesting, we implemented a rectifier with a commercial digital TV antenna. Our experimental evaluation results around Tokyo tower show that we could harvest 800uW in average.
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